数学模型有助于解释大脑如何在不消除旧记忆的

2019-04-18 17:18:25 围观 : 98

  数学模型有助于解释大脑如何在不消除旧记忆的情况下形成新的记忆

  2016年10月4日

  哥伦比亚科学家开发了一种新的数学模型,有助于解释人类大脑的生物复杂性如何能够在不消除旧记忆的情况下放下新的记忆 - 说明大脑如何保持记忆的保真度数年,数十年甚至一生。该模型可以帮助神经科学家设计更有针对性的记忆研究,并促进神经形态硬件的进步 - 受人类大脑启发的强大计算系统。

  这项工作今天在线发表在Nature Neuroscience上。

  “大脑不断接收,组织和存储记忆。在无数次实验中研究过的这些过程非常复杂,以至于科学家们一直在开发数学模型以便完全理解它们。哥伦比亚大学Mortimer B. Zuckerman思维脑行为研究所的首席研究员,哥伦比亚大学医学中心神经科学副教授和该论文的资深作者Stefano Fusi博士说。 “我们开发的模型最终解释了为什么生物学和化学基础记忆如此复杂 - 以及这种复杂性如何驱动大脑的记忆能力。”

  人们普遍认为记忆存储在神经元表面的突触,微小结构中。这些突触充当导管,传输通常从神经元传递到神经元的电脉冲内的信息。在最早的记忆模型中,通过突触的电信号强度与立体声音量旋钮进行比较;它拨出以提升(或降低)神经元之间的连接强度。这允许形成记忆。

  这些模型运行得非常好,因为它们占据了巨大的内存容量。但他们也提出了一个有趣的困境。

  “一个简单的,类似于拨号的突触功能模型的问题在于,假设它们的强度可以无限期地上下移动”。 Fusi博士说,他也是哥伦比亚理论神经科学中心的成员。 “但在现实世界中,这种情况不可能发生。无论是立体声中的音量旋钮,还是任何生物系统,都必须对物理上的旋转量进行物理限制。

  当施加这些限制时,这些模型的存储容量就会崩溃。因此,Fusi博士与扎克曼研究所研究员Larry Abbott博士(大脑数学建模专家)合作,提供了另一种选择:每个突触都比一个拨号更复杂,而应该被描述为一个多个系统拨号。

  2005年,Drs。

   Fusi和Abbott发表了解释这一想法的研究。他们描述了突触内的不同表盘(可能代表分子簇)如何协同操作以形成新记忆,同时保护旧记忆。但作者后来才意识到,即便是这种模式,他们也没有达到他们认为大脑 - 特别是人类大脑 - 能够持有的东西。

  相关故事研究人员创建了大脑自身免疫系统的新地图.KU教授讨论了大脑 - 计算机界面的辅助,恢复沟通的承诺锻炼为老年男性提供了比女性更好的大脑提升“我们开始意识到各种突触组件或拨号,不仅在不同的时间尺度上运行,但也可能彼此通信,“哥伦比亚理论神经科学中心副研究员兼当今自然神经科学论文的第一作者马库斯本纳博士说。 “一旦我们将组件之间的通信添加到我们的模型中,存储容量就会增加一个巨大的因素,变得更能代表活体大脑内部的效果。”

  Benna博士将这种新型号的组件比作一个通过一系列管相互连接的烧杯系统。

  “在一组互相连接的烧杯中,每个烧杯都装有不同量的水,液体将倾向于在它们之间流动,使得水位变得均衡。在我们的模型中,烧杯代表突触内的各种组分,“本纳博士解释道。 “向其中一个烧杯添加液体 - 或者去除其中的一些 - 代表了新记忆的编码。随着时间的推移,由此产生的液体流将扩散到其他烧杯中,这与存储器的长期存储相对应。

  博士。 Benna和Fusi希望这项工作可以帮助实验室的神经科学家,作为指导未来实验的理论框架 - 最终导致更完整和更详细的大脑表征。

  “虽然记忆的突触基础被广泛接受,但在很大程度上归功于诺贝尔奖获得者和扎克曼研究所的编码员埃里克坎德尔博士的工作,澄清突触多年来如何支持记忆而不退化是非常困难的,”阿博特博士说。 “Drs的工作。 Benna和Fusi应该成为探索突触分子复杂性的研究人员的指南。“

  该模型的技术含义也很有前途。 Fusi博士长期以来一直对神经形态硬件感兴趣,这些计算机旨在模仿生物大脑。

  “今天,神经形态硬件受到存储器容量的限制,当这些系统被设计为自主学习时,这可能是灾难性的低”。福斯博士说。 “创建一个更好的突触记忆模型可以帮助解决这个问题,加速紧凑和节能的电子设备的发展 - 并且与人脑一样强大。”

  资料来源:哥伦比亚大学扎克曼研究所